Published January 7, 2023 | Version v1
Publication Open

Velocity pausing particle swarm optimization: a novel variant for global optimization

  • 1. University of York
  • 2. Yonsei University
  • 3. Torrens University Australia
  • 4. Ericsson (Canada)
  • 5. Institut National des Postes et Télécommunications
  • 6. Razi University
  • 7. Universiti Sains Malaysia
  • 8. Middle East University
  • 9. Al-Ahliyya Amman University
  • 10. Applied Science Private University
  • 11. Al al-Bayt University

Description

Abstract Particle swarm optimization (PSO) is one of the most well-regard metaheuristics with remarkable performance when solving diverse optimization problems. However, PSO faces two main problems that degrade its performance: slow convergence and local optima entrapment. In addition, the performance of this algorithm substantially degrades on high-dimensional problems. In the classical PSO, particles can move in each iteration with either slower or faster speed. This work proposes a novel idea called velocity pausing where particles in the proposed velocity pausing PSO (VPPSO) variant are supported by a third movement option that allows them to move with the same velocity as they did in the previous iteration. As a result, VPPSO has a higher potential to balance exploration and exploitation. To avoid the PSO premature convergence, VPPSO modifies the first term of the PSO velocity equation. In addition, the population of VPPSO is divided into two swarms to maintain diversity. The performance of VPPSO is validated on forty three benchmark functions and four real-world engineering problems. According to the Wilcoxon rank-sum and Friedman tests, VPPSO can significantly outperform seven prominent algorithms on most of the tested functions on both low- and high-dimensional cases. Due to its superior performance in solving complex high-dimensional problems, VPPSO can be applied to solve diverse real-world optimization problems. Moreover, the velocity pausing concept can be easily integrated with new or existing metaheuristic algorithms to enhance their performances. The Matlab code of VPPSO is available at: https://uk.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/119633-vppso .

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

يعد تحسين سرب الجسيمات المجردة (PSO) أحد أكثر الاستدلالات شهرة مع الأداء الملحوظ عند حل مشاكل التحسين المتنوعة. ومع ذلك، يواجه PSO مشكلتين رئيسيتين تؤديان إلى تدهور أدائه: التقارب البطيء والفخ الأمثل المحلي. بالإضافة إلى ذلك، يتدهور أداء هذه الخوارزمية بشكل كبير في المشكلات عالية الأبعاد. في PSO الكلاسيكي، يمكن أن تتحرك الجسيمات في كل تكرار إما بسرعة أبطأ أو أسرع. يقترح هذا العمل فكرة جديدة تسمى إيقاف السرعة حيث يتم دعم الجسيمات في متغير إيقاف السرعة المقترح بواسطة خيار حركة ثالث يسمح لها بالتحرك بنفس السرعة كما فعلت في التكرار السابق. ونتيجة لذلك، يتمتع VPPSO بإمكانية أعلى لتحقيق التوازن بين الاستكشاف والاستغلال. لتجنب التقارب السابق لأوانه لـ PSO، يقوم VPPSO بتعديل الحد الأول لمعادلة سرعة PSO. بالإضافة إلى ذلك، ينقسم عدد سكان VPPSO إلى سربين للحفاظ على التنوع. يتم التحقق من أداء VPPSO على ثلاث وأربعين وظيفة مرجعية وأربع مشاكل هندسية في العالم الحقيقي. وفقًا لاختبارات ويلكوكسون رتبة المجموع وفريدمان، يمكن أن يتفوق VPPSO بشكل كبير على سبع خوارزميات بارزة في معظم الوظائف المختبرة في كل من الحالات منخفضة وعالية الأبعاد. نظرًا لأدائها المتفوق في حل المشكلات المعقدة عالية الأبعاد، يمكن تطبيق VPPSO لحل مشكلات تحسين العالم الحقيقي المتنوعة. علاوة على ذلك، يمكن دمج مفهوم الإيقاف المؤقت للسرعة بسهولة مع خوارزميات ميتاهوريستية جديدة أو موجودة لتعزيز أدائها. يتوفر رمز Matlab الخاص بـ VPPSO على: https://uk.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/119633-vppso .

Translated Description (French)

L'optimisation en essaim de particules (PSO) est l'une des métaheuristiques les plus réputées avec des performances remarquables lors de la résolution de divers problèmes d'optimisation. Cependant, PSO est confronté à deux problèmes principaux qui dégradent ses performances : une convergence lente et un piégeage optimal local. En outre, les performances de cet algorithme se dégradent considérablement sur les problèmes de grande dimension. Dans le PSO classique, les particules peuvent se déplacer à chaque itération à une vitesse plus lente ou plus rapide. Ce travail propose une nouvelle idée appelée pause de vitesse où les particules dans la variante de PSO de pause de vitesse proposée (VPPSO) sont soutenues par une troisième option de mouvement qui leur permet de se déplacer avec la même vitesse que lors de l'itération précédente. En conséquence, VPPSO a un potentiel plus élevé pour équilibrer l'exploration et l'exploitation. Pour éviter la convergence prématurée PSO, VPPSO modifie le premier terme de l'équation de vitesse PSO. En outre, la population de VPPSO est divisée en deux essaims pour maintenir la diversité. La performance de VPPSO est validée sur quarante-trois fonctions de référence et quatre problèmes d'ingénierie réels. Selon les tests de Wilcoxon et de Friedman, VPPSO peut dépasser de manière significative sept algorithmes de premier plan sur la plupart des fonctions testées sur des cas de faible et de grande dimension. En raison de ses performances supérieures dans la résolution de problèmes complexes de grande dimension, VPPSO peut être appliqué pour résoudre divers problèmes d'optimisation du monde réel. De plus, le concept de pause de vitesse peut être facilement intégré à des algorithmes métaheuristiques nouveaux ou existants pour améliorer leurs performances. Le code Matlab de VPPSO est disponible sur : https://uk.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/119633-vppso .

Translated Description (Spanish)

Resumen La optimización de enjambres de partículas (PSO) es una de las metaheurísticas mejor consideradas con un rendimiento notable a la hora de resolver diversos problemas de optimización. Sin embargo, PSO se enfrenta a dos problemas principales que degradan su rendimiento: la lenta convergencia y el atrapamiento de óptimos locales. Además, el rendimiento de este algoritmo se degrada sustancialmente en problemas de alta dimensión. En el PSO clásico, las partículas pueden moverse en cada iteración a una velocidad más lenta o más rápida. Este trabajo propone una idea novedosa llamada pausa de velocidad donde las partículas en la variante propuesta de pausa de velocidad PSO (VPPSO) son apoyadas por una tercera opción de movimiento que les permite moverse con la misma velocidad que en la iteración anterior. Como resultado, VPPSO tiene un mayor potencial para equilibrar la exploración y la explotación. Para evitar la convergencia prematura de PSO, VPPSO modifica el primer término de la ecuación de velocidad de PSO. Además, la población de VPPSO se divide en dos enjambres para mantener la diversidad. El desempeño de VPPSO se valida en cuarenta y tres funciones de referencia y cuatro problemas de ingeniería del mundo real. De acuerdo con las pruebas de suma de rangos de Wilcoxon y Friedman, VPPSO puede superar significativamente a siete algoritmos prominentes en la mayoría de las funciones probadas, tanto en casos de baja como de alta dimensión. Debido a su rendimiento superior en la resolución de problemas complejos de alta dimensión, VPPSO se puede aplicar para resolver diversos problemas de optimización del mundo real. Además, el concepto de pausa de velocidad se puede integrar fácilmente con algoritmos metaheurísticos nuevos o existentes para mejorar sus rendimientos. El código Matlab de VPPSO está disponible en: https://uk.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange/119633-vppso .

Files

s00521-022-08179-0.pdf.pdf

Files (900.3 kB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:825e42dde9a4543c5873b3340d054dd1
900.3 kB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
تحسين سرب الجسيمات لإيقاف السرعة مؤقتًا: متغير جديد للتحسين العالمي
Translated title (French)
Optimisation de l'essaim de particules de mise en pause de la vitesse : une nouvelle variante pour l'optimisation globale
Translated title (Spanish)
Optimización de enjambre de partículas con pausa de velocidad: una variante novedosa para la optimización global

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4313681586
DOI
10.1007/s00521-022-08179-0

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Jordan

References

  • https://openalex.org/W1595159159
  • https://openalex.org/W1986834168
  • https://openalex.org/W1997600725
  • https://openalex.org/W2000621750
  • https://openalex.org/W2001658805
  • https://openalex.org/W2003247700
  • https://openalex.org/W2007351764
  • https://openalex.org/W2016574294
  • https://openalex.org/W2018700453
  • https://openalex.org/W2031909775
  • https://openalex.org/W2034988449
  • https://openalex.org/W2037960630
  • https://openalex.org/W2054878539
  • https://openalex.org/W2061438946
  • https://openalex.org/W2065401134
  • https://openalex.org/W2067959852
  • https://openalex.org/W2072955302
  • https://openalex.org/W2094276183
  • https://openalex.org/W2108388069
  • https://openalex.org/W2118840131
  • https://openalex.org/W2123066915
  • https://openalex.org/W2131613989
  • https://openalex.org/W2135879356
  • https://openalex.org/W2139339670
  • https://openalex.org/W2143055330
  • https://openalex.org/W2145597414
  • https://openalex.org/W2151554678
  • https://openalex.org/W2153817143
  • https://openalex.org/W2160694855
  • https://openalex.org/W2232317135
  • https://openalex.org/W2290883490
  • https://openalex.org/W2512379863
  • https://openalex.org/W2607099977
  • https://openalex.org/W2613818156
  • https://openalex.org/W2737913985
  • https://openalex.org/W2738532682
  • https://openalex.org/W2738900493
  • https://openalex.org/W2751383815
  • https://openalex.org/W2751482852
  • https://openalex.org/W2774408184
  • https://openalex.org/W2789930262
  • https://openalex.org/W2790716556
  • https://openalex.org/W2797262037
  • https://openalex.org/W2800384987
  • https://openalex.org/W2888609139
  • https://openalex.org/W2893066337
  • https://openalex.org/W2894052711
  • https://openalex.org/W2900485681
  • https://openalex.org/W2905103003
  • https://openalex.org/W2908286818
  • https://openalex.org/W2914857512
  • https://openalex.org/W2919979744
  • https://openalex.org/W2953612877
  • https://openalex.org/W2955541341
  • https://openalex.org/W2962182762
  • https://openalex.org/W2970404044
  • https://openalex.org/W2979736100
  • https://openalex.org/W2981592639
  • https://openalex.org/W2985845430
  • https://openalex.org/W2994696538
  • https://openalex.org/W3000645357
  • https://openalex.org/W3001134900
  • https://openalex.org/W3001337571
  • https://openalex.org/W3003845456
  • https://openalex.org/W3005728138
  • https://openalex.org/W3009198655
  • https://openalex.org/W3010846265
  • https://openalex.org/W3011104345
  • https://openalex.org/W3013599931
  • https://openalex.org/W3014628627
  • https://openalex.org/W3029383985
  • https://openalex.org/W3029517552
  • https://openalex.org/W3035529687
  • https://openalex.org/W3037840638
  • https://openalex.org/W3044545634
  • https://openalex.org/W3080473944
  • https://openalex.org/W3081724057
  • https://openalex.org/W3090396243
  • https://openalex.org/W3102622641
  • https://openalex.org/W3117323734
  • https://openalex.org/W3122970619
  • https://openalex.org/W3124505269
  • https://openalex.org/W3133735015
  • https://openalex.org/W3170343207
  • https://openalex.org/W3188761638
  • https://openalex.org/W3194118641
  • https://openalex.org/W3194150683
  • https://openalex.org/W3196661916
  • https://openalex.org/W3206920343
  • https://openalex.org/W4205129187
  • https://openalex.org/W4220918649
  • https://openalex.org/W4285492978
  • https://openalex.org/W4290861058